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疾病标记物分子印迹技术在分离传感分析中的应用

时间:2022-11-10 11:35:08 来源:网友投稿

摘要:疾病标记物分子印迹聚合物以疾病标记物为模板分子,可实现低浓度和基底复杂的疾病标记物的高效分离和富集。以疾病标记物分子印迹聚合物为敏感元件构建的传感器,可用于对威胁人类健康的高发病率和高死亡率疾病进行筛查和诊断。本文介绍了分子印迹技术的原理和方法,重点介绍了疾病标记物分子印迹中常用的印迹方法、印迹材料、以及疾病标记物分子印迹聚合物在疾病标记物分离及传感中的应用。

关键词:分子印迹; 疾病标记物; 分离; 传感; 评述

1引言

疾病标记物是指当身体出现疾病时在血浆或其它体液中能够检测到的物质,是指示疾病存在的生物化学指标。然而,很多疾病的早期症状不明显,当采用常规方法确诊疾病时,往往已发展到晚期,不利于疾病的早期诊断和患者的长期生存。因此,疾病标记物的筛查及其早期检测,对疾病诊断、药物选择、判断分期、实现个体化治疗以及预后具有重要意义。目前,疾病标记物的检测以免疫分析法为主,包括酶联免疫分析法、电化学发光免疫法、放射免疫分析法等[1]。然而,以上方法往往存在操作繁琐、影响因素多、甚至放射性污染等问题,使得其在疾病标记物早期检测和普及应用等方面受到一定限制。因此,疾病标记物的特异性和灵敏性检测新方法成为研究热点。

分子印迹聚合物(Molecularly imprinting polymers, MIPs)具有制备方法简单、成本低、易于大规模制备、能耐受酸碱等复杂环境等优点,可作为模拟抗体和受体[2]、吸附分离材料[3]、仿生化学传感器的敏感元件[4]、选择性催化剂[5]等,在分离富集、化学传感、药物控释和催化等领域有良好的应用前景[6]。Vlalakis等[7]以MIPs代替常规抗体,对药物中的吗啡和茶碱进行了放射免疫分析,不仅交叉反应结果可与生物单抗相媲美,而且抗茶碱分子印迹聚合物对病人血浆中茶碱的定量分析结果也完全符合医学检测要求,表明印迹聚合物抗体和受体可以作为生物抗体的理想替代品和有益补充。Sellergren等[8]首次将分子印迹技术用于固相萃取领域,以AIDS抑制药戊脒为模板分子制备分子印迹聚合物,并将其填充于色谱柱中,用于对尿样中戊脒的高效分离,解决了传统固相萃取法难以实现复杂基质中戊脒有效分离的难题。Greene等[9]采用分子印迹技术构建了可同时识别7种不同芳香胺化合物的比色法阵列传感器,首次实现了结构相似且没有光活性的多组分药物的同时分离检测。

近年来,分子印迹聚合物模拟天然受体在胆固醇、多肽、蛋白质等疾病标记物识别检测等方面取得了较好的研究进展,引起了广泛关注[10]。以疾病标记物为模板分子,将分子印迹技术应用于疾病标志物的识别和检测,将为实现疾病的早期诊断提供新途径。本文概述了分子印迹技术的发展概况、原理和方法,介绍疾病标记物印迹中常用的印迹方法和印迹材料,重点介绍胆固醇、甲胎蛋白、癌胚抗原等疾病标记物分子印迹聚合物在分离、富集和传感中的应用。2分子印迹基本原理

20世纪40年代,Pauling提出以抗原为模板合成抗体的理论,其中结合位点应和空间匹配的观点成为分子印迹的基本思想。1949年Dickey发现,在合成硅胶时加入甲基橙,可使硅胶对甲基橙的吸附量增加,由此提出了“专一性吸附”的概念,这一研究被视为“分子印迹”的萌芽[11]。1973年,Wulff等[12]首次以D甘油酸和D甘露醇的乙烯基衍生物为模板分子,采用共价印迹法合成了对糖类化合物有良好选择性的分子印迹聚合物,利用洗脱D甘油酸和D甘露醇分子后形成的印迹空腔,分别实现了甘油酸分子和甘露醇分子的手性拆分。但是,共价型模板聚合物的动力学过程较慢,不适合目标分子的快速识别。1984年,Morrlow等[13]创立了非共价型分子印迹法(分子自组装法),模板分子和功能单体之间以非共价键自发形成具有多重作用位点的单体模板分子复合物,经过交联、聚合后将模板分子和功能单体之间的相互作用保存下来,该法可在温和条件下洗脱模板分子,对客体的识别和释放速度快。然而,非共价法印迹过程的轮廓不够清晰,大量功能单体的存在还降低了聚合底物的选择能力。Whitcombe等[14]发展了共价与非共价印迹杂化体系法(牺牲空间法),即聚合时采用共价键方式将模板分子和聚合单体结合,对客体分子识别时则采用非共价键结合方式,采用这种方法得到的分子印迹聚合物既有共价印迹聚合物亲合专一性强的优点,又有非共价印迹操作条件温和的优点,因此,牺牲空间法引起了广泛的研究。分子印迹技术以其通用性和立体专一性得到了世界瞩目并迅速发展起来。分子印迹技术根据目标模板分子的大小、空间结构和电荷分布,选择合适的功能单体和交联剂,功能单体和模板分子通过分子间作用形成单体模板分子复合物,用交联剂交联聚合后形成交联聚合物,将功能单体在特定的空间取向上固定下来;通过物理或化学手段再将模板分子从交联聚合物中洗脱,在聚合介质中保留下模板分子的“印迹”或留下“记忆”,形成具有在空间构型和结合位点上与模板分子相匹配的空腔;由此形成的MIPs具有特异性的识别功能基团和与模板分子空间结构互补的多重作用位点,对模板分子有较高的亲和力和特异性结合能力,可实现对混合物中目标分子的有效分离和特异性识别。

3疾病标记物印迹聚合物制备

3.1印迹材料

疾病标记物是生物分子,当远离生物环境时容易变性失活。因此,在合成疾病标记物分子印迹聚合物的过程中,选择合适的功能单体、交联剂和溶剂,对提高分子印迹聚合物对模板分子的亲合力、选择性、增强识别位点的有效性和数量等十分重要。根据印迹材料化学性质的不同,可将常用的合成疾病标记物分子印迹聚合物的材料分为有机材料和无机材料。

3.1.1有机材料含有不饱和双键的有机化合物(甲基丙烯酸、4乙烯基苯硼酸、丙烯酰胺等)是制备分子印迹聚合物最常用的功能单体。这类功能单体利用正负电荷之间的静电作用、氢键作用、疏水作用或金属螯合作用与目标分子进行结合,在交联剂存在下,通过加热、光照或氧化等方式引发聚合,形成有机聚合物,由此制备的分子印迹聚合物具有良好的热稳定性和耐酸碱能力。有机类功能单体种类繁多,研究者可根据模板分子物化性能的不同选择合适的功能单体,从而提高印迹聚合物的稳定性,改善印迹腔体的识别性能。张圣祖等[15]以N十八烷基马来酰胺酸为凝胶剂,在甲基丙烯酸怍且阴ァ⒓谆┧帷⒕垡叶级谆┧狨ズ湍0宸肿 3胆固醇酰氧基丙酸混合物中进行自组装,形成稳定的超分子有机凝胶,经紫外光原位聚合形成有机聚合物,再以乙腈为洗脱剂提取模板分子3胆固醇酰氧基丙酸,制备了用于识别胆固醇的非共价印迹聚合物。Miyata等[16]将凝集素刀豆蛋白A(ConA)和多克隆抗甲胎蛋白(AFP)抗体分子分别与N丙烯酰氧琥珀酰亚胺作用,制备成乙烯基修饰的凝集素ConA和乙烯基修饰的多克隆抗甲胎蛋白抗体分子,再将乙烯基修饰的凝集素ConA与丙烯酰胺反应制备丙烯酰胺嫁接的ConA,并以丙烯酰胺嫁接的ConA和乙烯基修饰的多克隆抗甲胎蛋白抗体分子为共同配体,N,N′甲叉双丙烯酰胺为交联剂,制备了动态识别肿瘤特异性标志物AFP的糖蛋白凝胶,洗脱模板分子后形成含有AFP印迹空腔的蛋白凝胶。当再结合AFP分子时,凝胶体积收缩,根据凝胶体积的改变实现AFP分子的特异性识别和检测,MIPs对AFP识别具有良好的特异性,而且无需复杂的前处理过程,对肝癌的临床诊断具有重要意义。

3.1.2无机材料分子印迹无机材料主要以四烷氧基硅烷或有机物官能团修饰硅氧烷和四烷氧基硅烷为共同前驱体,在液相条件下与模板分子均匀混合,经水解和缩合形成稳定透明的溶胶体系,陈化后形成三维网络结构的凝胶,经干燥和固化后形成干凝胶。该方法制备的凝胶具有大的表面积、均匀的孔径、良好的热稳定性和光通透性,而且,通过改变前驱体和操作条件还可简单地实现其物理化学性质的调节。Gupta等[17]以硅酸盐衍生物溶胶凝胶为基质,采用水解和非水解两种方式制备了胆固醇分子印迹聚合物,由氮气吸附解析曲线计算的MIPs总孔径体积值表明,以上两种方式合成的溶胶凝胶基质均具有多孔性,同时,MIPs的BrunauerEmmettTeller(BET)特异性表面积值还表明MIPs具有较大的比表面积。对两种方法合成的MIPs重结合胆固醇分子的能力及孔径、比表面积等的比较结果表明,采用水解法合成的胆固醇分子凝胶具有更好的水溶性和热稳定性,表面吸附及重结合百分比均比非水解方法合成的印迹聚合物高。然而,有机硅氧烷的官能团比较单一,制备的印迹聚合物对模板分子的特异性识别能力较差。Soares等[18]先将胆固醇分子和饣泛旌希偌尤胨囊已趸柰橹票傅ü檀 饣泛枘河3.2分子印迹方法

传统的MIPs制备方法是将模板分子、功能单体、交联剂和引发剂按一定配比溶解在溶剂(致孔剂)中,在适当条件下引发聚合,得到高度交联的块状刚性聚合物,然后经粉碎和筛选,得到尺寸合适的颗粒,洗脱模板分子后形成含有特异性识别模板分子空腔的粒子。Yavuz等[19]以N甲基丙烯酰L酪氨酸甲基酯为功能单体,偶氮二异丁腈为引发剂,乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂,胆固醇为模板分子,合成了胆固醇印迹聚合物,用氯仿洗脱模板分子后,利用含有印迹空腔的印迹粒子实现了样品中胆固醇分子的特异性检测。虽然这种块体印迹法所需装置简单,普适性强,但块体印迹法存在研磨过程可控性差、模板分子洗脱困难、印迹位点不均一等问题,使得印迹粒子对目标分子的重结合效率低。为了解决以上问题,表面分子印迹法应运而生。表面分子印迹法是在或接近载体的表面上生成与模板分子相互作用的结合位点,有利于模板分子的快速洗脱和高效重结合,不仅解决了传统方法对模板分子包埋过深或过紧而导致的无法洗脱等问题,还大大提高了印迹分子与MIPs的结合速度。Wang等[20]将直肠癌特异性标记物癌胚抗原(CEA)与烷基硫醇混合,通过金巯键作用在金覆盖的硅片表面形成自组装单分子层,洗脱模板分子后形成的CEA印迹位点能够特异性结合CEA分子。将上述制备的传感元件与电位计连接,通过CEA印迹位点重结合CEA分子时电位的改变实现对直肠癌细胞培养液中CEA的检测,获得了与酶联免疫法相一致的结果。由于CEA分子印迹于烷基硫醇自组装单分子层表面,大大减小了洗脱模板分子的时间及难度,重结合CEA分子时,电位达到稳定读数的时间仅需2~10 min,分析时间明显缩短。但是该方法的制备过程远不如传统的本体聚合简单、方便、直接。利用纳米印迹法合成的聚合物使识别位点充分暴露在纳米材料巨大的比表面积上,可大大减少纳米印迹聚合物重结合模板分子过程中的传质阻力,增强吸附过程的动力学特征[21]。Ciardelli等[22]采用反相法将乳液法制备的胆固醇分子印迹纳米粒子沉积在甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸共聚膜基质中,将具有特异性识别胆固醇分子的结合位点引入到共聚膜基质巨大的表面上,加快了胆固醇分子与其结合位点重结合的速率,不仅实现了体外血液中胆固醇分子的快速提取,还有效克服了体液中复杂基底对胆固醇识别的影响,为血液中胆固醇识别分析设备的构建以及相关心血管疾病的早期诊断提供了重要依据。Hoshino等[23]以蜂毒肽为模板分子,以丙烯类有机体分子为功能单体和交联剂,采用沉淀聚合法制备了蜂毒肽印迹纳米粒子,洗脱模板分子后形成蜂毒肽分子印迹空腔,利用生物素和亲和素作用,将生物素化的蜂毒肽分子连接到亲和素修饰的石英晶体微天平(QCM)电极表面,印迹纳米粒子表面的蜂毒肽分子印迹空腔与蜂毒肽分子特异性结合而被固定于QCM电极表面,引起QCM电极表面质量和频率的改变,通过对频率变化的测量实现对蜂毒肽分子的定量检测。由此合成的印迹纳米粒子体积较小,其在溶液中的传质阻力小,有利于对蜂毒肽分子的快速检测。近年发展起来的抗原表位印迹技术,以多肽或蛋白质序列中裸露的一个特异性短肽(抗原决定部位)为模板分子,采用合适的功能单体和交联剂合成聚合物,洗脱模板分子后留下的印迹腔可对整个多肽和蛋白质分子进行有效识别。抗原表位印迹聚合物中目标分子的嵌入具有特定的方向,避免了分子印迹过程中蛋白质大分子的嵌入,减少了MIPs与目标蛋白的非特异性吸附,而且,以小分子肽为模板分子,还能很好地解决以生物大分子为模板时印迹效率低和洗脱困难等问题。Rachkov等[24]以[Sar1, Ala8]血管紧张素II短肽为模板分子,采用抗原表位印迹技术在水相中合成分子印迹聚合物,该印迹聚合物不仅能选择性结合模板分子短肽,还能结合整个血管紧张素II分子,对血管紧张素II具有良好的识别特异性。Emgenbroich等[25]采用抗原表位印迹技术以9芴甲氧羰基磷酸酪氨酸甲酯(FmocpTyrOMe)为模板分子,以尿素、甲基丙烯酰胺和乙二醇二甲基丙烯酸酯为共同功能单体,四氢呋喃为致孔剂,偶氮二异庚腈为引发剂,制备了FmocpTyrOMe分子印迹聚合物,该印迹聚合物不仅能有效识别pTyr,还能识别含有pTyr的肽段及相关蛋白质。Papaioannou等[26]以甲基丙烯酸为功能单体,以乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂,采用抗原表位法合成缩胆囊素的碳端五肽印迹聚合物,洗脱模板分子形成的印迹空腔不仅能识别碳端五肽,还能识别整个缩胆囊素。该方法以小分子碳端五肽替代大分子缩胆囊素为模板分子,用于对整个缩胆囊素的识别,不仅解决了印迹和洗脱缩胆囊素过程困难的难题,还大大提高了对缩胆囊素的重结合能力。

4疾病标记物分子印迹在分离富集中的应用

4.1固相萃取

固相萃取是将液固萃取与柱液相色谱技术结合而来,主要用于样品的分离、纯化和浓缩。传统固相萃取使用较多的C18键合硅胶和石墨化碳黑等吸附剂均为非选择性萃取吸附剂,作用机理大多基于疏水作用,部分为离子交换,难以满足复杂样品的分离分析要求。分子印迹聚合物利用其构效预定性和选择性,针对单一或复杂目标分析物形成具有识别作用和结构互补的空腔,能选择性结合混合物体系中的一种或一类结构相似的化合物,从而实现目标分析物的选择性分离和富集。近年来,分子印迹技术与固相萃取技术相结合,以分子印迹聚合物为选择性萃取吸附剂在固相萃取中的应用与日俱增[27~29]。吕斌等[30]以甲基丙烯酸为功能单体,乙烯二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂,采用非共价热启动和紫外聚合法合成了胆固醇MIPs,并以两种方法合成的MIPs为萃取固定相,实现了血液、蛋黄、牛奶等样品中胆固醇分子的选择性分离和检测。肽链A 140和A 142是淀粉样蛋白的两种亚型,是阿尔茨海默氏病的重要标记物,Sellergre等[31]分别以A 140和A 142两条肽链碳端的A 3340和A 3342为模板分子,分别制备了相应的以二乙烯基苯为交联剂,1,3二芳基脲为功能单体的分子印迹聚合物,进而以该分子印迹聚合物为固相萃取柱的固定相,用于对脑脊髓液血清中A 3340和A 3342以及母肽A 140和A 142的分离富集,免疫印迹法对洗脱液中A舛屉募澳鸽牡暮糠治鼋峁砻鳎霉菇ǖ姆肿佑4.2色谱

色谱法是利用物质在固定相和流动相中选择性分配的差异实现对不同物质分离的方法。常见的色谱分析法往往需要对样品进行富集、净化和提纯,过程复杂、耗时。尤其是对生物体内的疾病标记物等生物分子,基底复杂,存在大量的结构类似的干扰物质。因此,对疾病标记物分子的净化、提纯更为复杂和繁琐,使得疾病标记物在分离提取过程中常存在选择性差、灵敏度低等问题。将色谱分析技术与分子印迹技术相结合,则可以很好地克服上述难题。目前,MIPs作为色谱固定相已用于氨基酸及其衍生物、肽、甾醇、糖及其衍生物、药物等的手性分离研究[32,33]。Kitahara等[34]将制备的单分散胆固醇分子印迹聚合物颗粒填入高效液相色谱柱,利用MIPs的良好选择性,实现了胆固醇分子与结构类似分子混合物的快速分离,不仅出峰时间短,还大大促进了反应动力学速率。Huang等[35]以二甲基丙烯酸乙二醇酯为交联剂,以合成的胆固醇分子印迹聚合物颗粒为色谱柱的固定相,实现了胆固醇与结构相似分子獯贫嫉母咝Х掷氇梅ㄎ扌杞蟹治鑫锏脑ご恚僮骷虻タ焖佟elépée等[36]以5甲基尿嘧啶核苷为模板分子,丙烯酰胺和乙烯苯基硼酸酯为功能单体,季戊四醇三丙烯酸酯为交联剂,偶氮二异丁腈为引发剂合成印迹聚合物,将其填入高效液相色谱柱中作为固定相,利用合成的MIPs对5甲基尿嘧啶核苷的特异性识别作用,实现了尿液中肿瘤标记物嘧啶核苷的分离检测,对恶性肿瘤的早期临床诊断具有重要的指导意义。Longo等[37]以合成的水溶性1甲基腺苷印迹聚合物为高效液相色谱固定相,利用聚合物对极性1甲基腺苷的强吸附能力,实现了目标物1甲基腺苷与腺苷、胞嘧啶核苷、次黄嘌呤核苷等干扰物质的快速分离。对尿液样本、含有1甲基腺苷的尿液样本以及经过该萃取系统分离后的洗脱液的高效液相色谱分析结果表明,该方法可用于人体尿液中1甲基腺苷的高效识别、分离和预富集。可见,分子印迹与色谱技术的结合,为肿瘤的早期诊断及其发展过程监测提供了可能。

5疾病标记物分子印迹在传感分析中的应用

传感器是指能直接感受检测物被测参数的变化,并把被测参数转化为易于运输、处理、测量信号的装置,主要由敏感元件和信号转换元件组成。以MIPs为传感器的敏感元件,将其与被测物的相互作用通过各种电、热、光等手段转换成可测信号,可实现待测物的灵敏性和选择性定量分析。这类传感器除了具有生物传感器较高的选择性和灵敏度外,还能耐酸碱、耐有机溶剂、以及不受苛刻环境因素的影响,具有稳定性好、寿命长等优点[38]。自1987年Tabushi首次用分子印迹聚合物作为敏感材料对维生素进行检测以来,分子印迹聚合物传感器引起了人们的广泛关注[39]。目前,分子印迹聚合物传感器根据转换器测量原理的不同分为质量式、电学式和光学式3种。以下重点介绍利用疾病标记物分子印迹聚合物为敏感元件构建的3种传感器。

5.1石英晶体微量天平传感器

石英晶体微天平是一种非常灵敏的质量检测仪器,它利用石英晶体谐振器的压电特性,将石英晶体电极表面的质量变化转化为石英晶体振荡电路输出电信号的频率变化。以分子印迹聚合物为分子识别元件的石英晶体微天平传感器,利用选择性吸附分析物前后引起的质量变化对待分析物进行高灵敏检测,QCM作为微质量传感器具有结构简单、振动Q值大、灵敏度和测量精度高等优点,广泛用于气体液体成分分析、微质量测量以及薄膜厚度检测等领域。Kugimiya等[40,41]将QCM电极用烯丙基硫醇预处理引入乙烯基,然后将含有对乙烯基苯基硼酸唾液酸酯、乙二醇双(甲基丙烯酸酯)、甲基丙烯酸N,N,N三甲基铵乙酯、甲基丙烯酸2羟乙酯、2,2′偶氮双(二甲基戊腈)以及N,N二甲基甲酰胺的预聚合混合液滴加在电极表面,用三甲基氯硅烷处理过的盖玻片覆盖后,紫外光照引发聚合制备目标分子唾液酸的MIPs膜,用于选择性识别唾液酸,根据识别唾液酸前后QCM振荡频率的变化,实现了对唾液酸的灵敏性检测。Tai等[42]以丙烯酸和丙烯酰胺为单体,采用紫外光引发聚合,在QCM芯片表面制备了登革热病毒表面NS1蛋白的MIPs,利用洗脱模板分子后的印迹空腔重新结合NS1蛋白,再在NS1蛋白上连接单克隆抗体,根据连接抗体前后的质量变化引起的QCM频率的改变,实现了对登革热毒NS1蛋白的高灵敏检测,检出限低至5 靏L。最近,Tai等[43]以炭疽保护性抗原的线性表位基(一种五肽)为模板分子,在QCM芯片表面制备了识别炭疽保护性抗原的MIPs,实现了ng级体外炭疽保护性抗原的检测。Yang[44]等以多巴胺为功能单体,含有35个氨基酸残基(与糖蛋白41一段氨基酸残基相同)的肽链为模板分子,在QCM表面聚合形成MIPs,构建了人类免疫缺陷病毒1(HIV1)疾病标记物糖蛋白41的分子印迹仿生传感器,对HIV1的检出限低至2 靏L,可满足实际尿样中HIV1疾病标记物糖蛋白的检测。

5.2电化学传感器

电化学传感器基于待测物的电化学性质,将待测物的化学量转变成电学量进行传感检测的一种传感器,具有良好的选择性和敏感性。由于疾病标记物通常是一些氨基酸、核苷酸、多肽、蛋白质等生物分子,在生物体液中大都具有种类繁多的类似物,如果将特异性识别疾病标记物的分子印迹聚合物制成电化学传感器的传感元件,则可显著提高电化学传感器对疾病标记物的选择性。Piletsky等[45]以胆固醇为模板分子,在金电极表面自组装十六基硫醇,形成疏水单分子层印迹膜,洗脱模板分子后,在印迹膜修饰电极表面形成胆固醇分子印迹空腔,K3Fe(CN)6探针分子可通过印迹空腔到达电极表面传递电子而产生电信号,当印迹空腔中重结合胆固醇分子后,阻碍了K3Fe(CN)6分子向电极表面的传输,使得K3Fe(CN)6在电极表面的电信号下降,据此实现了胆固醇分子的灵敏性、特异性和快速识别检测。Aghaei等[46]在金电极表面电聚合功能单体2巯基苯并咪唑形成胆固醇MIPs膜,构建了电容型传感器,基于双电层理论,对胆固醇分子进行了高灵敏、实时、免标记分析检测,对抗坏血酸、苯酚、色氨酸、维生素D2等干扰物质的选择性系数检测结果表明,该电容型传感器对目标分子胆固醇有良好的选择性。Viswanathan等[47]在立体纳米金电极表面电聚合多元酚膜制备卵巢癌标记物抗原125的MIPs,洗脱模板分子后形成印迹空腔,此时溶液中的分子探针K4Fe(CN)6分子能够到达电极表面进行电子交换,当印迹空腔重结合抗原125分子后,则阻碍了K4Fe(CN)6分子向电极表面的传输,根据印迹空腔重结合抗原125分子前后产生的电信号改变,实现了对卵巢癌病人血清样本中抗原125分子的灵敏性检测,所得结果与酶联免疫吸附法测定结果相一致,为卵巢癌的早期临床诊断及其发展过程监测提供了可能。

5.3表面等离子体共振型的传感器

表面等离子体共振(Surface plasmon resonance,SPR)传感技术是一项新兴的生物化学检测技术,与传统的生化分析方法相比,SPR传感技术具有免标记、实时、无损伤检测等优点,在生物科技、药物筛选、临床诊断、食物检测及环境监测、膜生物学等领域得到了越来越广泛的应用。SPR是一种物理光学现象,由入射光的电磁波和金属导体表面的自由电子形成的电荷密度波相互作用而产生。这种沿着金属导体(金、银)表面传播的电荷密度波(表面等离子波)是一种消逝波,它在金属内部的分布随着与表面垂直距离的增大呈指数衰减。SPR对附着在金属表面的电介质的折射率非常敏感,而折射率是所有材料的固有特征。因此,任何附着在金属表面的电介质均可被检测,不同电介质的表面等离子角不同,而同一种电介质,其附着在金属表面的量不同,则SPR响应强度也不同。基于此原理,采用分子印迹技术构建SPR传感器,将分子印迹技术的高特异性和SPR的高灵敏性相结合,可用于多种生化指标的准确、灵敏、快速检测。Kugimiya等[48]先将模板分子、功能单体、交联剂等混合液滴加在盖玻片上,再将SPR芯片盖在上面,通过紫外光引发聚合反应生成唾液酸分子印迹聚合物,洗脱模板分子后即形成唾液酸分子印迹SPR芯片,构建了检测唾液酸的SPR传感器,用于选择性识别神经节苷酯中非还原性末端的唾液酸。Denizli等[49]以乙型肝炎B表面抗体(HBsAb)为模板,以羟乙基N甲基丙烯酰基L酪氨酸甲酯为功能单体,在烯丙硫醇修饰的SPR芯片上制备HBsAb印迹膜,构建了分子印迹SPR传感器,用于人体血清中HBsAb的高灵敏检测,检测结果与酶联免疫法相一致。虽然目前SPR传感器在疾病诊断领域的应用较少,然而,对比现有临床方法,该方法的灵敏度和精确度均较高,对疾病的早期诊断和预后治疗具有重要意义。

6结论与展望

本文对疾病标记物分子印迹方法、印迹材料以及疾病标记物MIPs在分离和传感分析中的应用进行了详细介绍。分子印迹技术在重大疾病标记物分离检测中的应用,对疾病的早期发现、早期诊断和早期治疗具有重要意义。疾病标记物分子印迹聚合物的制备及其在分离和传感中的应用已成为分子印迹技术的重要发展方向。但是,疾病标记物种类繁多、性质各异,目前研制的疾病标记物分子印迹聚合物只是其中的一小部分。对疾病的早期诊断,依赖于临床上对疾病标记物的准确鉴定和筛选,进而结合分子印迹技术的高特异性构建相关疾病标记物的识别检测系统,实现对多种疾病的早期检测及其发展过程的监测。基于以上分析,疾病标记物的分子印迹的发展可能集中在以下几个方面:(1)深入研究相关机理,开发和寻找性能优良的新型功能单体、交联剂,发展新的印迹方式; (2)利用计算机辅助分子设计,预测功能单体与模板分子之间的结合和相互作用[50],实现更多疾病标记物的高效印迹,避免大量盲目的尝试实验; (3)深入抗原决定基分子印迹聚合物制备方法的研究,避免因疾病标记物的结构复杂及易变对印迹效果的影响; (4)发展联合印迹方法[51],将互补的多种疾病标记物同时印迹,实现多目标疾病标记物的同时识别检测,提高疾病检测的准确率及早期诊断的可能性。

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